实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验
过程控制1实验一对象特性的测定
U1 =50% Q1=4.2~4.3(L/M) U2 =25% Q2=2.1~2.3(L/M) U2 =35% Q2=3.5~3.7(L/M) Kc =1 Ti=60(s) Td=0(s)
8-16
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.416.819.221.6
h2 (cm)
16.81 9.2
13.
152.
100.
95.0
7.5
6.0
4.5
3.0
1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
h2 (cm)
13. 152. 100. 95.0 7.5 6.0 4.5 3.0 1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
10
8
6
4
2
0
h2(cm) 2.5
5
7.5
10 t (分)
16
12
8
4
0
2.5 5 7.5 10 t (分)
8-10
4、根据实验原理所述方法和实验得到的响应曲线，求出双容水箱 的放大倍数K、时间常数T1 、T2、滞后时间τ、传递函数G(s)。
二阶水箱对象特性测试实验
实验二：二阶双容对象特性测试实验一、实训目标1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的特性二、知识目标1、了解简单过程控制系统的构成。
2、掌握简单过程控制的原理、双容液位计算机控制和参数整定的方法。
三、任务相关知识本实验采用计算机控制，将（下水箱）液位控制在设定高度。
通过上水箱根据下水箱信号输出给计算机，计算机根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水泵出水流量，控制上水箱液位，再控制下水箱液位，从而达到控制设定液位的目的。
当下水箱液位平衡时，上水箱液位也达到平衡。
这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。
当输入量有一个阶跃增加Q1时，输出量变化的反应曲线如图2-2? 所示的h2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性在时? 间上更加落后一步。
在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。
这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。
设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；2）、h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的、阶跃响应曲线点B和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。
其中：对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。
双容水箱液位静动态特性测试(实验一)
青岛科技大学实验报告年月日姓名专业班级同组者课程实验项目双容水箱液位静、动态特性测试一、实验目的1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。
二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置2.计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根3. 万用表 1只三、实验原理图1 双容水箱对象特性结构图由图1所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2所示。
由图2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2(a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2(b)）。
显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
图2 双容液位阶跃响应曲线图3 双容液位特性参数计算在图3所示的阶跃响应曲线上求取，利用下面的近似公式计算式，从而得到双容对象的传递函数为。
四、实验内容与步骤1、打开上位机，按照线路图接线。
2、检查线路，接通总电源和相关仪表的电源。
3、把调节器设置于手动位置，手动改变输出值到阀位65%，观察实时和历史曲线，使上水箱和中水箱的液位处于某一平衡位置。
4、突增/减调节器的手动输出量（建议增加到75%），重新达到平衡，作为一次阶跃输入，测得。
减小手动阀位输出量到65%，使中水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态，测得。
5、两次参数求平均求得系统参数，并打印历史曲线。
五、实验要求请给出实验的调节过程及调节参数，并附上历史曲线，分析实验结果，给出双容液位广义对象的传递函数表达式。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
双容自衡水箱液位特性的测试实验报告
XXXX大学电子信息工程学院专业硕士学位研究生综合实验报告实验名称：双容自衡水箱液位特性的测试专业：控制工程姓名学号：指导教师：完成时间：实验名称：双容水箱特性的测试实验目的：1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
实验仪器设备：1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。
实验原理：所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠自身重新恢复平衡的过程。
图1所示为双容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-2和F1-11全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q 1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
图1 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图方案设计及参数计算：双容水箱的数学模型可用一个二阶加时滞环节来描述。
双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图2所示的阶跃响应曲线上求取：(1))(h.thtt∞==224)(1时曲线上的点B和对应的时间t1；(2))(h.thtt∞==2282）（时曲线上的点C和对应的时间t2。
实验一对象特性测试实验
实验一：对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。
对象特性测试实验的目的：通过实验掌握对象特性曲线的测量方法。
测量时应注意的问题：对象模型参数的求取。
液位装置中的液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象。
对象参数的求取：一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。
2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。
确定K0、T0和τ的方法如下：在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。
3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K0、T1、T2需从阶跃响应曲线上求出。
先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1；（3） y （t2）=0.8 y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2；然后，利用如下近似公式计算T1、T2。
（4） （5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数55.02174.1)21)(21(2116.22121-≈+++≈+t t T T T T T T t t T TT0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W（s）=K0/（T0s+1）（T0s+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。
二、实验中应注意的问题1、测试前系统处于平衡状态，反应曲线的出始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算纯滞后时间τ。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位与PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2，y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力与水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440 -7.98567液位2传感器0.065166 -12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度与电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
双容水箱特性的测试
双容水箱特性的测试一、实验目的1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备（同前）三、原理说明图9 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图9所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。
根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)=)1sT)(1sT(K1sTk1sTk212211++=+⨯+(9)式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。
本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图10所示。
由图10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。
图10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位（b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
在图11所示的阶跃响应曲线上求取：(1)h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2。
图11 双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式阶跃输入量输入稳态值=∞=O h x )(K 2 (10) 2.16t t T T 2121+≈+ (11) )55.074.1()T (T T T 2122121-≈+t t (12) 0.32〈t 1/t 2〈0.46由上述两式中解出T 1和T 2，于是得到如式（9）所示的传递函数。
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实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；
2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备
AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线
图1 双容水箱系统结构图
三、原理说明
如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。
当输入量有一个阶跃增加∆Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的∆h 2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。
由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。
在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。
这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τ
C 代表之。
设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：
2112()()* ()(*1)(*1)
s
H S K G S Q S T S T S e τ-==++
图2 变化曲线
式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取：
1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；
2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应
的时间t1；
3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应
的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数
K、T1和T2。
其中：2
()
K
O
h
R
∞
==
输入稳态值
阶跃输入量
图3 阶跃响应曲线
4）12
12
t t
T T
2.16
+
+≈
对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46
h
0.4
0.8
2
h
h
1
h
2
2
2
时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18 ）
5）
121
2122
T T (1.740.55) (T T )t t ≈-+
四、实验步骤
1、设备的连接和检查：
1） 打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；
2） 将下水箱的出水阀开至适当开度； 3） 检查电源开关是否关闭。
2、启动实验装置
1） 将实验装置电源插头接到单相220V 的单相电源上；
2） 打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V ，电源指示灯亮； 3） 打开电源总钥匙开关，即可开启电源。
3、实验步骤
1） 开启电动调节阀电源、24V 电源、智能调节仪电源；
2）开启单相泵电源开关，启动动力支路，手动将仪表的输出值迅速上升到小于等于10，将被控参数液位高度控制在30%处（一般为5cm ）；
3）观察系统的被调量—水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h 2；
4）迅速增加仪表手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，并绘制过程变化曲线；
5） 直到进入新的平衡状态。
再次记录测量数据； 6） 重复上述实验步骤。
五、注意事项
1、做本实验过程中，出水阀不能随意改变开度大小；
2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%；
3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
六、实验报告要求
1、作出二阶环节的阶跃响应曲线；
2、试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。